專利名稱：霧化冷卻電路板設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及對電子模塊的冷卻，更具體地說，涉及一種電路板設(shè)備和一種用于霧化冷卻電路板的方法。
諸如印刷電路板(PCB)之類的電子模塊、多芯片模塊(MCM)和電子混合組件一般包括多個分立的電子元件，如集成電路、無源元件和功率晶體管。分立的電子元件可能是在正常工作期間需要冷卻的熱源。
通常，電子元件通過自然或強制空氣對流來冷卻，因為空氣的熱容和傳熱系數(shù)較小，所以空氣對流需要運動大體積的空氣經(jīng)過元件或經(jīng)過安裝到元件上的笨重散熱器?？諝饫鋮s過程也受其他幾個缺點之害。例如，空氣冷卻過程不能為一個電子模塊內(nèi)的每個發(fā)熱電子元件提供均勻的冷卻，可能導(dǎo)致不希望的大產(chǎn)品包裝，并且可能引入不希望的噪聲或污染物，如元件上的灰塵。
蒸發(fā)霧化冷卻的特征在于，把霧化的液滴直接或間接噴淋到諸如電子元件之類的熱源表面上。當(dāng)液滴碰撞到元件表面上時，一層液體薄膜覆蓋到元件上，并且熱量主要通過流體從元件表面的蒸發(fā)除去。
盡管在許多電子學(xué)用途中蒸發(fā)霧化冷卻是熱量除去的最佳方法，但已知的霧化冷卻系統(tǒng)一般用來霧化冷卻諸如印刷電路板之類的電子模塊的整個表面。因而，霧化冷卻系統(tǒng)可能增大電路板的包裝尺寸。此外，在霧化冷卻系統(tǒng)工作之前可能需要大范圍的密封。
因此，需要一種利于電子元件的霧化冷卻的緊湊、自密封電路板設(shè)備，和一種用來霧化冷卻該電路板設(shè)備內(nèi)的電子元件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，通過一種電路板設(shè)備來達(dá)到以上要求，該電路板設(shè)備包括包括一個第一層、一個第二層和一塊布置在第一層與第二層之間的內(nèi)板。內(nèi)板帶有一根布置在其中的流體分配導(dǎo)管。流體分配導(dǎo)管帶有一個第一端部、一個限定一個腔的中間部分、和一個第二端部。一個第一電子元件布置在腔內(nèi)。一個噴嘴布置在流體分配導(dǎo)管內(nèi)，噴嘴接收流體、霧化流體及把霧化的流體排進(jìn)腔中。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種電路板設(shè)備包括一個第一層，具有一個第一側(cè)和一個第二側(cè)；一個第二層，具有一個第一側(cè)和一個第二側(cè)；及一塊內(nèi)板，布置在第一層與第二層之間。內(nèi)板帶有一根布置在其中的流體分配導(dǎo)管，流體分配導(dǎo)管帶有一個第一端部、一個限定一個腔的中間部分、和一個第二端部。一個第一電子元件布置在該腔內(nèi)。一個確定尺寸以接收一個噴嘴的噴嘴殼體布置在流體分配導(dǎo)管中。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，一種用來霧化冷卻電路板的方法包括提供一個第一層和一個第二層；把一塊內(nèi)板布置在第一與第二層之間，內(nèi)板帶有一根布置在其中的流體分配導(dǎo)管，流體分配導(dǎo)管帶有一個限定一個腔的中間部分，一個電子元件布置在該腔中；及通過布置在流體分配導(dǎo)管內(nèi)的一個噴嘴接收流體，該噴嘴霧化流體且把霧化的流體排到該腔中。
對于熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，由通過舉例已經(jīng)表示和描述的本發(fā)明最佳實施例的如下描述，將更容易明白本發(fā)明的優(yōu)點。如將要理解的那樣，本發(fā)明能夠具有其他的和不同的實施例，并且其細(xì)節(jié)在各個方面能夠改進(jìn)。因而，附圖和描述在本質(zhì)上認(rèn)為是說明性，而不認(rèn)為是限制性的。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個最佳實施例的一種電路板設(shè)備的側(cè)視圖。
圖2是沿繪制在圖1中的電路板設(shè)備的線2-2的俯視圖。
圖3是在繪制在圖1中的電路板設(shè)備中使用的噴嘴的剖視圖。
圖4表明對于圖1所示電路板設(shè)備的閉環(huán)流體流動。
現(xiàn)在翻到附圖，其中相同的標(biāo)號指示相同的元件，圖1是根據(jù)本發(fā)明一個最佳實施例的一個電路板設(shè)備10的側(cè)視圖。設(shè)備10包括一個第一層12、一個第二層14和一塊內(nèi)板19。層12、14最好是高溫環(huán)氧樹脂層壓件，但可以是任何適當(dāng)?shù)碾娐钒逍筒牧?，如熟知的和廣泛使用的材料。內(nèi)板19最好包括鋁芯板，但也可以是任何適當(dāng)?shù)牟牧?，如另外的金屬或塑料。第一?2具有一個第一側(cè)11和一個第二側(cè)13，最好由銅或另一種金屬制成。同樣，第二層14具有一個第一側(cè)15和一個第二側(cè)16，也最好由銅制成。
內(nèi)板19可以經(jīng)一種可從各種眾所周知的來源得到的粘結(jié)材料35，例如諸如聚酯膠片粘合劑或?qū)嵴澈蟿┲惖沫h(huán)氧樹脂粘結(jié)材料，分別連接到第一側(cè)11、15上。
當(dāng)除去第一層12時，如圖2中所示，能看到內(nèi)板19在其中帶有多個孔18?？?8收集粘結(jié)材料35，有助于把內(nèi)板19分別粘合到第一側(cè)11、15上。
如圖2中進(jìn)一步表示的那樣，內(nèi)板19包括至少一根流體分配導(dǎo)管20。如所示的那樣，流體分配導(dǎo)管20帶有多個互聯(lián)的分支。使用用來處理電路板的熟知技術(shù)可以把導(dǎo)管20整體地形成在內(nèi)板19內(nèi)。可選擇的是，內(nèi)板19可以由兩部分形成，它們配對時形成流體分配導(dǎo)管20。導(dǎo)管20可以以任意希望的形狀形成，并且每個分支可以具有是錐形的、圓柱形的、矩形的或其他適當(dāng)形狀的橫截面形狀。如圖1中表明的那樣，可以認(rèn)為流體分配導(dǎo)管38具有一個第一端部22、一個第二端部26和一個中間部分24，中間部分24限定一個腔。
同時參照圖1和2，例如可以是可從Motorola得到的、序號為MRF899/D的NPN硅射頻(RF)功率晶體管的電子元件28安裝在腔24內(nèi)，并且可以包括諸端子30和一塊或多塊模板32。電子元件28可以置于腔24內(nèi)，并且使用常規(guī)技術(shù)，例如通過引線接合，連接到第一層12的第一側(cè)11上，且也連接到第二層14的第一側(cè)15上?？梢岳斫猓瑢τ陔娮釉?8的說明不僅適用于功率晶體管，而且也適用于其他電子元件，包括但不限于無源元件和集成電路。
經(jīng)穿過第一層12和第二層14延伸的諸孔17，讓電子元件28電氣連接到第一層12的兩側(cè)11、13上和第二層14的兩側(cè)15、16上。此外，第一層12的第二側(cè)13或第二層14的第二側(cè)16可以連接到一個主系統(tǒng)板上(未表示)。對主系統(tǒng)板的連接可以以各種熟知的方式完成，例如使用焊接凸耳(solder bumps)。
一個最好是內(nèi)板19一部分的、但可以由另一種材料一起形成的流體進(jìn)口43從設(shè)備10伸出，并且一個諸如塑料或金屬管之類的裝置可以使用一個諸如刺配合的管接頭51連接到流體進(jìn)口43上。一個類似結(jié)構(gòu)的流體出口45可以在第二端部26處從層12、14伸出，并且也可以裝有由管接頭51保持到位的塑料或金屬管。
至少一個噴嘴60，如圖1中所示，置于流體分配導(dǎo)管38的至少一個分支內(nèi)。圖3是噴嘴60的剖視圖。噴嘴60帶有一個垂直于流體分配導(dǎo)管38的、且包括一個旋流板或插入件的接收端部62。旋流板可以通過例如壓配、焊接或粘結(jié)固定到接收端部62上。一個噴射端部64包括一個最好直徑在0.15mm量級上的小孔68。可以理解，噴嘴60、以及旋流板68可以整體地形成在流體分配導(dǎo)管38內(nèi)。
噴嘴60最好在一個小型噴霧器中，如約1.5mm高、且可以由任何適當(dāng)材料制成的單壓力旋流式霧化器。適當(dāng)材料的例子是諸如黃銅或不銹鋼之類的金屬。單壓力旋流式霧化器在授予Tilton等的美國專利No.5,220,804中進(jìn)行了詳細(xì)描述，并且可從位于Colton,Washington的IsothermalSystems Research公司買到，該專利包括在這里以供參考。
圖4表明噴霧冷卻技術(shù)的使用，包括一個與電路板設(shè)備10連接在一起的閉環(huán)液體供給系統(tǒng)。一個經(jīng)管52連接到流體進(jìn)口43上的流體泵50把冷卻劑流體供給到置于流體分配導(dǎo)管38內(nèi)的噴嘴60。噴嘴60霧化冷卻劑，并把霧化的流體70經(jīng)小孔68排放到腔24中、及一個或多個模板32和端子30上。當(dāng)霧化的流體70碰撞到模板32的表面上時，一層薄液膜覆蓋在模板32上，并且主要通過從模板32上蒸發(fā)流體70來除去熱量。多余的流體收集在流體分配導(dǎo)管38的第二端部26處，并且經(jīng)流體出口45除去。
冷卻劑流體可以是任何介電冷卻劑，如熟知的和廣泛使用的冷卻劑。適當(dāng)冷卻劑的一個例子是3M的FluorinertTM介電流體，可從3M得到，訂貨號為FC-72。另一種類似于3M的FluorinertTM介電流體的全氟化碳流體可從Ausimont Galden得到。
一個通過管54連接到泵50上、和通過管56連接到流體出口48上的冷凝器53接收來自流體出口45的流體。冷凝器53排出來自流體的熱量，使流體基本上返回液相。風(fēng)扇58可以用來增大冷凝器53的冷卻容量。冷卻的流體從冷凝器53供給到泵50。因而，形成冷卻劑的閉環(huán)流動?？梢岳斫?，在任意給定點處，冷卻劑可以是蒸汽、液體或蒸汽與液體混合物。
可以設(shè)想，用來提供冷卻劑流動的任何常規(guī)裝置都可以與本發(fā)明描述的實施例一起使用，并且例如為了冗余的目的，不止一個電路板設(shè)備10可以連接到單個冷卻劑源上，或者一個或多個冷卻劑源可以連接到單個電路板設(shè)備10上。
應(yīng)該根據(jù)熱量除去和流率要求選擇流體泵50、冷凝器53和風(fēng)扇58的規(guī)格。例如，對于500至1000瓦特的熱量耗散，典型閉環(huán)流體流動是每分鐘500至1000毫升。各種規(guī)格的泵和冷凝器組件可從Isothermal SystemsResearch公司得到，并且可接收的管和接頭可以從在Vernon Hills,Illinois的Cole-Parmer得到。
使用公開的設(shè)備，能有效地冷卻具有大到每平方厘米300瓦特功率密度的一個電子元件或一組電子元件。直接從各電子元件、或從電子元件組除去熱量，有助于降低元件的工作溫度，通過減小溫度變化和有關(guān)的熱應(yīng)力而提高可靠性。
設(shè)備10可以極為緊湊，因為空間不受空氣體積要求的支配。因而，可以減小用于整個電子模塊的包裝尺寸。此外，與熱量散布到大面積上，例如一個大散熱器上，時最有效的空氣冷卻不同，噴霧冷卻支持熱量集中，這是另一個有助于減小包裝體積和重量的因素。
設(shè)備10允許單個印刷電路板利用一層或多層作為用于冷卻流體的分散歧管，并且允許在最小體積空間中噴霧冷卻臨界溫度負(fù)載?？梢岳斫?，可以把多個電路板疊置或互連，例如使用導(dǎo)熱粘合劑，以產(chǎn)生三維的電路板塊。
對于可能是電子模塊中的高熱量負(fù)載隔離點、要不然就是電子模塊的低熱量負(fù)載區(qū)域的專用電子元件，選擇性地利用設(shè)備10可以有助于減小專用于安裝噴霧冷卻系統(tǒng)的密集電子模塊表面面積。因而，因為噴霧冷卻系統(tǒng)，不應(yīng)該增大電子模塊尺寸。
這里描述的設(shè)備和方法導(dǎo)致密封的電子元件，例如，從而可以設(shè)計這樣一種電子模塊有一側(cè)用于檢測裝置和給不需要噴霧冷卻的電子裝置，而另一側(cè)給高熱量消耗、包圍在電路板設(shè)備10內(nèi)的噴霧冷卻的電子元件。然后，可以同時檢測和噴霧冷卻該電子模塊。
應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于冷卻一種具體的電子元件，而是可以適合于冷卻任何熱源，例如散熱器或法蘭。同樣，本發(fā)明不限于印刷電路板。其他電子模塊，如多芯片模塊(MCM)和電子混合組件，可以代替印刷電路板。
可以進(jìn)一步理解，在可能需要密封和/或固定的任何場合，可以使用多種方法和材料。例如，可以利用螺釘之類的緊固件、軟襯墊、超聲波焊接、銅焊、錫焊或擠壓。
顯而易見，可以設(shè)想本發(fā)明的其他和進(jìn)一步的方式，而不脫離附屬權(quán)利要求書和其等效說明的精神和范圍，并且應(yīng)該理解，本發(fā)明在任何形式上都不限于上述具體實施例，而是僅受如下的權(quán)利要求書和其等效說明的控制。
權(quán)利要求
1．一種電路板設(shè)備，包括一個第一層；一個第二層；一塊內(nèi)板，布置在第一層與第二層之間，內(nèi)板帶有布置在其中的一根流體分配導(dǎo)管，流體分配導(dǎo)管帶有一個第一端部、一個限定一個腔的中間部分、和一個第二端部；一個第一電子元件，布置在該腔內(nèi)；及一個噴嘴，布置在流體分配導(dǎo)管中，該噴嘴接收流體、霧化流體及把霧化的流體排進(jìn)該腔中。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中第一電子元件從基本上由一個功率晶體管、一個無源元件、和一個集成電路組成的組中選擇。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中噴嘴由銅組成。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括一個第二電子元件，布置在該腔中。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中噴嘴把霧化的流體排到第二電子元件上。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中第一層和第二層由高溫環(huán)氧樹脂層壓件組成。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中第一層具有一個第一側(cè)和一個第二側(cè)，并且其中第二層具有一個第一側(cè)和一個第二側(cè)。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中一種導(dǎo)熱粘合劑把第一層的第一側(cè)連接到內(nèi)板上。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中第一電子元件連接到第一層的第一側(cè)。
10．根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中第一層的第一側(cè)和第二層的第一側(cè)由銅組成。
全文摘要
電路板設(shè)備(10)包括一個第一層(12、14)、一個第二層(12、14)和一塊布置在第一層(12、14)與第二層(12、14)之間的內(nèi)板(19)。一根流體分配導(dǎo)管(38)布置在內(nèi)板(19)內(nèi)。流體分配導(dǎo)管(38)帶有一個第一端部(22)、一個限定一個腔的中間部分(24)、和一個第二端部(26)。一個第一電子元件(28)布置在腔(24)內(nèi)。一個噴嘴(60)布置在流體分配導(dǎo)管(38)內(nèi)。噴嘴(60)接收流體、霧化流體及把霧化的流體(70)排進(jìn)腔(24)中。
文檔編號H01L23/473GK1216213SQ97193771
公開日1999年5月5日 申請日期1997年3月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月28日
發(fā)明者托馬斯·R·拜斯 申請人:摩托羅拉公司